Визначення граничних втрат перетворення і шумових характеристик діодів з бар"єром Шотткі з високою критичною частотою, умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону, створенні на основі останніх приймальних систем з рекордною чутливістю.
Аннотация к работе
Широке застосування в науці і техніці електромагнітних хвиль міліметрового діапазону (радіоастрономія, радіолокація, спектроскопія, звязок тощо) постійно стимулює фізичні дослідження, спрямовані на подальше підвищення чутливості приймальних систем цього діапазону. В дисертаційній роботі було поставлено завдання - суттєво збільшити чутливість приймальних систем 3-мм діапазону на ДБШ за рахунок реалізації гранично досяжних втрат перетворення сучасних високоякісних напівпровідникових нелінійних елементів - діодів з барєром Шотткі з високою критичною частотою. Для одночасного забезпечення оптимального за втратами перетворення режиму роботи діода і низьких омічних втрат у електродинамічній системі змішувальної камери не існує загальних підходів, і ця задача потребує детальних теоретичних та експериментальних досліджень роботи змішувача, якщо за мету ставиться зниження шумової температури приймача в цілому. Мета роботи полягає у визначенні граничних втрат перетворення і шумових характеристик ДБШ з високою критичною частотою, умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону, а також створенні на основі останніх приймальних систем з рекордною чутливістю. Для цього вирішувалися наступні задачі: розробка методики пошуку оптимального типу ДБШ та розрахунок його гранично досяжних втрат перетворення у 3-мм діапазоні і визначення умов їх реалізації; розробка нового методу узгодження змішувача 3-мм діапазону на ДБШ на частоті сигналу без використання зовнішнього трансформатора імпедансів з метою зниження омічних втрат на вході змішувача; оптимізація роботи тракту проміжних частот приймача 3-мм діапазону на мінімум шумів шляхом обєднання у єдиний модуль змішувача та підсилювача проміжних частот (ППЧ); зясування можливості ефективної роботи при кріогенних температурах високолегованих ДБШ; створення на основі розроблених змішувачів 3-мм діапазону на високоякісних ДБШ приймачів з мінімально можливою шумовою температурою при кімнатних та кріогенних температурах.У першому розділі “Приймачі міліметрового діапазону довжин хвиль зі змішувачами на діодах з барєром Шотткі” надається аналітичний огляд сучасного рівня розробок ДБШ міліметрового діапазону і приймачів на їх основі. Другий розділ “Нелінійний аналіз змішувачів міліметрового діапазону на діодах з барєром Шотткі” присвячено проведенню модельних досліджень роботи нелінійного елемента у складі змішувальної камери з метою пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот. Аналіз літературних джерел, проведений у першому розділі, показав, що в роботах попередників переважно наведено результати розрахунків та експериментальні дані за втратами перетворення конкретних ДБШ у 3-мм діапазоні, але практично відсутня інформація, які діоди виявляються оптимальними для цього діапазону. Таким чином, проведене чисельне моделювання показало, що з урахуванням характеристик змішувальної камери, які можливо реалізувати на практиці, найбільш придатним для використання у змішувачах 3-мм діапазону є діод Д5, незважаючи на те, що він має більші граничні втрати перетворення в порівнянні з діодом Д6. У кінці другого розділу наведено обчислені втрати перетворення діода Д5 на частоті гетеродина 100 ГГЦ і потрібні для їх реалізації опори навантажень діода на вході і виході та режими роботи змішувача (напруга зміщення і струм діода) для кількох значень потужності гетеродина, наприклад, при потужності ~ 1 МВТ втрати перетворенняУ дисертації наведено результати досліджень граничних втрат перетворення і шумових характеристик ДБШ з високою критичною частотою (? 4 ТГЦ), умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону з метою створення приймальних систем з рекордною чутливістю. Відповідність схеми змішувача експериментальним зразкам підтверджено результатами досліджень частотних характеристик випрямленого струму діода у 3-мм діапазоні. Визначено оптимальний для цього діапазону тип ДБШ і розраховано в залежності від потужності гетеродина його мінімально досяжні втрати перетворення та умови їх реалізації в складі змішувача (напруга зміщення і робочий струм діода). ·Вперше вирішено проблему узгодження на вході в широкій смузі частот змішувача 3-мм діапазону на ДБШ без використання зовнішнього трансформатора імпедансів (переходу від хвилеводу стандартних розмірів до хвилеводу зі зниженою висотою). За рахунок високої критичної частоти таких діодів у роботі реалізовано низькі втрати перетворення змішувача 3-мм діапазону, що дозволило отримати його шумову температуру при 20 К близьку до досягнутої раніше в змішувачах на “кріогенних” (зі зниженою концентрацією носіїв заряду) ДБШ.
План
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Вывод
У дисертації наведено результати досліджень граничних втрат перетворення і шумових характеристик ДБШ з високою критичною частотою (? 4 ТГЦ), умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону з метою створення приймальних систем з рекордною чутливістю. Для цього у роботі було вирішено ряд науково - практичних задач.
·Розроблено методику пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот на основі уточненої моделі змішувача міліметрового діапазону на ДБШ, яку побудовано з використанням методу еквівалентних схем. Відповідність схеми змішувача експериментальним зразкам підтверджено результатами досліджень частотних характеристик випрямленого струму діода у 3-мм діапазоні. Визначено оптимальний для цього діапазону тип ДБШ і розраховано в залежності від потужності гетеродина його мінімально досяжні втрати перетворення та умови їх реалізації в складі змішувача (напруга зміщення і робочий струм діода).
·Вперше вирішено проблему узгодження на вході в широкій смузі частот змішувача 3-мм діапазону на ДБШ без використання зовнішнього трансформатора імпедансів (переходу від хвилеводу стандартних розмірів до хвилеводу зі зниженою висотою). Такі переходи традиційно підключалися на вхід змішувача у попередніх розробках, що збільшувало омічні втрати у його хвилеводному тракті. В роботі запропоновано нову конструкцію змішувача на основі стандартного хвилеводу, в якій необхідну трансформацію вхідних імпедансів реалізовано в місці розташування ДБШ шляхом введення додаткових елементів узгодження в електродинамічну систему. Це дозволило оптимізувати роботу різних типів ДБШ при мінімально можливому затуханні у вхідному тракті змішувача.
·На основі проведених досліджень високолегованих ДБШ у широкому інтервалі температур доведено ефективність їх використання у кріогенних змішувачах міліметрового діапазону. Раніше вважалось недоцільним використовувати високолеговані діоди за низьких температур через порівняно високий рівень їх шумів. За рахунок високої критичної частоти таких діодів у роботі реалізовано низькі втрати перетворення змішувача 3-мм діапазону, що дозволило отримати його шумову температуру при 20 К близьку до досягнутої раніше в змішувачах на “кріогенних” (зі зниженою концентрацією носіїв заряду) ДБШ.
·Проведення досліджень ДБШ при різних температурах, розробка нових конструкцій змішувачів і оптимізація їх роботи у складі приймача дозволили створити ряд приймальних систем 3-мм діапазону з рекордною чутливістю. За кімнатної температури отримано двосмугову (DSB) шумову температуру приймача 190 К, що у 1,5 рази менше шумової температури кращих зразків приймальних систем на ДБШ, розроблених раніше. В кріогенному приймачі зі змішувачем на високолегованому ДБШ реалізовано DSB шумову температуру 55 К, що не гірше значень шумової температури, отриманих раніше в приймачах 3-мм діапазону на “кріогенних” ДБШ.
На основі отриманих у роботі результатів в РІ НАН України було створено високочутливі приймальні системи 3-мм діапазону на ДБШ, які використовуються для радіоастрономічних спостережень на радіотелескопі РТ-22, Крим, Україна та досліджень атмосфери, що ведуться у Технологічному Університеті, Ґетеборг, Швеція.
Список литературы
1. Подъячий В.И., Подъячий Д.В., Шульга В.М. Нелинейный анализ смесителей миллиметрового диапазона на диодах с барьером Шоттки // Радиофизика и радиоастрономия. 2006. Т. 11, № 1. С. 88-99.
2. Piddyachiy V.I. and Peskovatskii S.A. A broad-band low-noise Schottky diode full-height waveguide mixer from 80 to 115 GHZ // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2003. Vol. 24, № 1. P. 43-54.
3. Piddyachiy V.I., Korolev A.M., and Shulga V.M. A very low-noise integrated 3mm-wave Schottky diode mixer and PHEMT IF amplifier // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2005. Vol. 26, № 10. P. 1381-1388.
4. Еру И.И., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Криогенные смесители коротковолновой части миллиметрового диапазона // Распространение и дифракция радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. К.: Наукова думка, 1984. С. 259-266.
5. Piddyachiy V.I., Shulga V.M., Korolev A.M., and Myshenko V.V. High doping density Schottky diodes in the 3mm wavelength cryogenic heterodyne receiver // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2005. Vol. 26, № 9. P. 1307-1315.
6. Подъячий В.И., Сулима В.С. Смеситель миллиметрового диапазона // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. 1988. Вып.2. С. 107-109.
7. Forkman P.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., and Shulga V.M. An uncooled very low noise Schottky diode receiver frontend for middle atmospheric ozone and carbon monoxide measurements // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2006. Vol. 27, № 1. P. 25-35.
Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях: 8. Forkman P.M., Shulga V.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V. Uncooled low noise frontend of the receiver system for ground-based monitoring of stratospheric ozone and carbon monoxide // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. Kharkov (Ukraine), 2004. Vol. 2. P. 886-888.
9. Peskovatskii S.A., Shulga V.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Antufeyev A.V., Lavrik I.V. A Criogenic 3mm Schottky diode mixer receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and SUBMILLIMETER Waves”. Kharkov (Ukraine), 2001. Vol. 2. P. 741-743.
10. Peskovatskii S.A., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., Piddyachiy V.I. Ultra-stable Peltier-cooled low-noise 3-mm-wave band receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and SUBMILLIMETER Waves”. Kharkov (Ukraine), 2001. Vol. 2. P. 738-740.
11. Еру И.И., Королев А.М., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Малошумящее входное устройство радиоастрономического приемника 3-мм диапазона // Тезисы докладов XVII Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. Ереван, 1985. С. 141-142.
12. Шульга В.М., Подъячий В.И., Королев А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В. Сверхмалошумящий приемник со смесителем на диоде с барьером Шоттки диапазона частот 85-115 ГГЦ // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь (Украина), 2003. С. 195-197.
13. Королев А.М., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Малошумящий охлаждаемый приемник 3-мм диапазона // Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. Ереван, 1989. С. 125-126.
14. Князьков Л.Б., Королев А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М. Квантовый усилитель в радиометре 3 мм диапазона // Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. Ереван, 1989. С. 130-131.
15. Князьков Л.Б., Королев А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М., Зинченко И.И., Штанюк А.М., Нестеров Н.С. Высокочувствительный радиоспектроскопический комплекс 3-мм диапазона // Тезисы докладов межведомственной научно-технической конференции “Приборы, техника и распространение ММ, СБМ волн”. Харьков, 1992. С. 72.
16. Зубрин С.Ю., Антюфеев А.В., Королев А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В., Подъячий В.И., Шульга В.М. Радиоспектрометр диапазона частот 85…115 ГГЦ для наблюдения мазерных линий на РТ-22 // Материалы 16-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. Севастополь (Украина), 2006. С. 944-945.